正电子放射性药物自动分装注射系统的设计与测试

郭 宁，王 瞳，霍 力，李 方，刘黎洁，李 轶，巴建涛

1中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院核医学科核医学分子靶向诊疗北京市重点实验室，北京 100730 2首都医科大学附属北京同仁医院核医学科，北京 100730

正电子发射断层成像(positron emission tomography，PET)因其无创检查与定量分析的优越性，已逐步成为临床恶性肿瘤检测与恶性程度评判的重要手段，2-氟-2-脱氧-D-葡萄糖(β-2-[18F]-Fluoro-2-deoxy-D-glucose，18F-FDG)等正电子药物作为显像剂起到了重要的作用[1]。PET显像在极大提高肿瘤疾病诊断特异性和准确性同时，也带来了高能核素使用量和辐射剂量大量增加的问题。目前，18F-FDG等显像剂通常需要裸手在热室内分装并使用防护套注射，操作繁琐，效率低下。除了在分装、转运、注射过程中极易因放射性衰变导致的注射活度误差外，注射器内残留药液问题也难以解决[2]。因注射器材防护效果差、注射操作时间长、放射防护困难，故易对工作人员健康造成潜在危害。PET药物的分装注射如何简化操作流程、尽可能降低职业照射剂量，成为核医学技术操作的难题。本研究根据辐射防护学原理，利用电控技术设计新型放射性药物自动分装注射系统，希望简化操作流程，实现精准活度注射，尽可能降低职业外照射。

材料和方法

自动分装注射系统的材料选择及防护要求设备屏蔽采用钨合金作为自动分装与注射系统的主体材料，对于0.5 MeV的γ射线，钨的密度为19.3 g/cm3，点源γ射线减弱10倍所需的钨屏蔽厚度为11 mm[3]。设计采用钨合金制作，钨合金中一般钨的质量含量在85%～99%，并添加有 Ni、Cu、Co、Mo、Cr 等元素组成高比重合金[4]。钨合金硬度高，具有抗磨耐用的优势。根据钨合金γ射线的屏蔽遮挡情况，在距屏蔽10 cm处测量实际剂量率，计算钨合金屏蔽材料的衰减系数，为满足正电子湮灭生成的能量0.511 MeV γ光子屏蔽防护要求，综合考虑钨合金的设计厚度。自动分装注射设备具备全封闭的防护效果，保证柜体外表面 30 cm 处的周围剂量当量率不大于 25 μSv/h[5]。在注射过程中配合铅屏蔽防护电控注射启动，肢体无需接触放射性药物。

自动分装注射系统功能要求系统为智能电动控制、带有辐射防护功能的集放射性药物自动分装和自动注射功能于一体的电器设备，要求装载放射性药物活度1.48E+4 MBq(400 mCi)/次以上。设备应符合人体工程学原理，牢固、体积小、便于移动的箱体结构，具有可操作性强、安全性高等特点。

智能化技术要求设备在自动完成程序、管路、电控装置的质量控制检测后，程序控制能分步自动完成放射性原液的稀释，患者个性化活度自动分装和注射。注射中遇血管堵塞能自动声光报警并暂停注射待处理。完成1例患者注射过程所需时间小于人工分装和注射的操作时间，注射活度与处方活度的相对误差低于3%。

自动分装注射系统设计方案自动分装注射系统由计算机防护箱箱体、电控机械运动装置、输液管路、人机接口等组成。电器装置及元件主要包括步进电机、活度计、电磁阀、增加气泡检测器、压力传感器、单片机触摸屏、打印机等功能。

系统结构设计箱体内由放置原液钨合金罐的高活屏蔽仓和安装活度计测量井的低活屏蔽仓构成；电控机械运动装置由单片机控制步进电机及往复执行器加持的活度计测量井内注射器组成，配合医用的电控三通阀完成正电子药物的标定、分装、注射。往复执行器是系统的关键组件，放置在活度计测量井内，通过其精密丝杠带动加持活度计测量井内注射器活塞柄的线性位移完成，实现原液稀释、注射药物的分装、注射任务。电控三通阀能够实现不同任务状态下的输液软管多回路连接。由输液软管与上述组件连接构成了放射性药液及生理盐水在系统内传输的密闭管路。设备台面上安装注射三通阀和冲洗注射器支撑座，用于连接注射头皮针和冲洗注射器；人机接口单元通过触摸屏、报警器、打印机实现交互联系。触摸屏用于患者信息设置、药物衰变校准、机械线性位移及注射速度等参数的输入输出管理，设备运行用户可以按照提示进行指令控制(图1)。

自动分装注射输液管路系统设计自动分装与注射系统中技术流程：(1)由生理盐水瓶与输液软管、活度计测量井内注射器及电控活度、分装三通阀连接组成生理盐水通路，用于稀释原液、冲洗注射管路残留放射性任务；(2)由原液瓶(稀释后)、生理盐水瓶与活度计、活度计测量井内注射器、电控活度、分装三通阀连接塑料管路组成放射性药物的活度标定、分装通路，用于放射性药物的分装任务；(3)由活度计测量井内注射器与电控活度三通阀和注射三通阀连接，并和输液软管、头皮针共同组成放射性药物的注射通路，以完成放射性药物和生理盐水的注射任务。

装置各零部件的相互关系与命名见图1。其中，为实现整个系统的自动化，触摸屏可实现对三通阀与活度计的实时控制与监测，通过显示屏实现对分装注射系统运行状态的可视化。

1：生理盐水瓶；2：进气针管；3：高活屏蔽仓；4：原液屏蔽罐；5：原液瓶；6：低活屏蔽仓；7：电动往复执行器；8：活度计测量井；9：注射针头；10：电控分装三通阀；11：电控活度三通阀；12：电控注射三通阀；13：冲洗注射器；14：旋转底轮；15：梯形对板；16：横杆；17：拉手孔槽；18：低活屏蔽推拉门；19：面板；20：高活屏蔽推拉门；21：自动控制与显示屏；22：支撑基板；23：注射防护铅板1：bottle of normal saline；2：air intake needle；3：high-activity shielding tank；4：stock solution shielding tank；5：bottle of stock solution；6：low-activity shielding tank；7：electric reciprocating actuator；8：measuring well of activity meter；9：injection needle；10：electronically controlled three-way valve for filling；11：electronically controlled three-way valve for activity testing；12：electronically controlled three-way valve for injection；13：flushing syringe；14：rotating bottom wheel；15：trapezoidal opposite plate；16：cross bar；17：hole slot for handling；18：sliding door of low-activity shielding；19：panel；20：sliding door of high-activity shielding；21：automatic control and display screen；22：supporting substrate；23：lead plate for injection protection图1 自动分装与注射系统内部结构(A)和主体设计(B)示意图Fig 1 Schematic diagram of the internal structure(A)and the main body design(B)of the automatic dispensing and injection system

自动分装注射系统操作方法设备启动前进行输液管路连接，将一次性无菌输液软管与三通阀、活度计测量井内注射器生理盐水瓶等连接，安装注射端的单向过滤膜，同时插入1根长针到原液瓶底，系统内形成密闭输液管路；设备加电，初始化系统完成系统自动质量控制检测，确认设备分装注射系统、活度计、触摸屏等处于正常运行状态；系统向整个系统管路注满生理盐水；启动放射性原药液的稀释程序，系统按要求稀释放射性药液完成放射性药物浓度稀释，准备工作完成，系统待机。在不同的时间间隔，完成穿刺建立静脉通路后，将头皮针连接到注射三通阀上，系统按照输入的患者体质量或活度执行放射性药物的衰变计算，系统自动完成药物分装、注射并抽取生理盐水冲洗残留液注射。

系统性能指标和防护效能测定方法对完成整体组装的正电子放射性药物自动分装注射系统进行模拟空白和放射性药物分装注射试运行。对试运行过程中的分装精度、稳定性、分装注射时间相关性能指数进行记录和评价，同时检验设备的运行效果。防护效能的测定方法采用美国ALERT多功能射线检测仪测量并记录自动分装注射设备表面辐射剂量率，测量仪已经中国计量科学研究院检定合格。

结 果

系统硬件研制结果整个系统方案采用AutoCAD制图软件实现设计，按照设计要求完成箱体与电控组件的模具开发、工艺加工、制作及整机组装，初步转化成果见图2。设备外部由带底轮和顶部推拉面板的长方形防护箱构成，主机重量约300 kg。沿防护箱长轴并列设置高活屏蔽仓、低活屏蔽仓，分别放置原药屏蔽罐和内置活度计测量井；防护箱台面设置屏蔽推拉门方便钨合金罐的取放和活度计井内注射器安装，台面边缘安装有计算机触摸屏、生理盐水袋挂架。关键组件电动往复执行器的精密丝杠通过步进电机驱动实现了精准定量分装放射性药物(图3)。经过优化布局和制作，系统通过电磁阀门输液管路转化形成回路连接放射性药物稀释、分装、注射通路任务控制。

图2 自动分装与注射系统实物图(A)及用户触屏界面(B)Fig 2 The picture of the automatic dispensing and injection system(A)and the touching screen interface for users(B)

图3 电动往复执行器Fig 3 Electric reciprocating actuator

软件研制结果采用STM32单片机实现自动化控制以及触屏操作，用户界面见图2，操作程序由设备自检、管路注水、核药输入、核药稀释、核药标定、核药输出、系统设置模块组成。设备自检模块能够自动完成对控制程序的检测、电控组件与输液管路的安装状态、传感器信号的检验和初始化；管路注水模块实现了对系统内通路灌注生理盐水并执行气泡检测功能；核药输入和稀释模块使系统按照实际要求执行对原液的体积稀释；核药标定活度控制往复执行器上的活度计测量井内注射器抽取推注精准定量核素活度、体积；核药输出模块实现包括患者信息输入、记录、存储和执行放射性药物注射启动的控制程序。信息录入可实现成批信息集中录入或单个信息录入或临时急诊优先，程序可顺序或随机选择患者执行注射。程序可按照体质量自动衰减校准后，设定注射活度或按输入活度直接注射。实际使用中，用户可逐步点击“核药输入”“核药稀释”“核药标定”与“核药输出”键以实现质控自检、药物分装与注射功能。为增强该系统的使用范围，在系统设置中拓展了核素种类与对应的物理半衰期，也可对产药时间进行记录，系统设置中实现了对核药活度衰变的实时修正。该系统的软件集成度高，用户界面简洁友好，操作便捷，结果符合设计预期。

系统性能指标和防护效能测定结果试用运行结果表明：自动分装放射性药物约40 s，注射时间约20 s，完成1次分装注射时间约60 s。系统分装注射稳定性测试中，50次生理盐水空白运行试验成功率100%。分装精度试验中，经活度计比对，记录10组相同活度370 MBq(10 mCi)经自动分装注射系统的分装药物注射至西林瓶内，转移至热室活度计活度复核测量，进行比对统计结果：注射车分装活度与热室校准活度计的差值绝对值为3.7～11.1 MBq，分装误差≤3%，10组重复自动分装注射经热室活度计复核对比活度值见表1。

表1 自动分装与高活性实验室活度对比结果(绝对偏差基于热室活度计复核活度)Table 1 Comparison of activity in automatic dispensing system and high-activity laboratory(the absolute deviation is based on the activity checked in activity meter of high-activity laboratory)

经辐射防护最优化设计与考虑，注射系统箱体屏蔽40 mmPb，台面屏蔽60 mmPb，医患箱体边缘隔离防护屏蔽15 mmPb。内置钨合金原液罐50 mmPb。将1.517E+4 MBq(410 mCi)18F-FDG溶液放置于高活屏蔽仓铅罐内，设备通电前距设备30 cm处测得(扣除本底后)前侧操作位、左侧、右侧和桌面上方的剂量率分别为0.51、0.28、0.35和0.04 μSv/h，运行中前侧操作位的剂量率为1.44 μSv/h。自动注射分装仪操作人员肢端的辐射剂量较使用注射器防护套注射操作辐射剂量降低99%以上。

讨 论

放射性药液自动分装与注射系统的操作流程高效便捷。该系统集成了分装设备(分装仪、活度仪)以及注射设备(防护注射车和铅套防护注射器)于一体，简化了设备启动、剂量准备、患者注射与残余后处理等繁杂环节，实现了自动分装与注射，简化操作步骤，极大降低了工作人员出错的概率，进一步提升医疗安全质量。在传统工作方式下，正电子显像剂的手工注射操作过程通常需要3～4 min[6]，而自动分装与注射整个过程时间可控约为1 min，这提高了工作人员效率，在相同工作时间下可服务更多患者，也为医疗机构带来更大的效益。

在临床核医学中，职业照射的剂量影响因素主要为放射性药物活度、源距离、辐射暴露时间与屏蔽措施[7]。临床上根据患者自身条件调整放射性药物活度，为保障职业照射水平小于20 mSv·a-1的有效剂量要求[8]，实现远距离操作、减少辐射暴露时间以及增强屏蔽的有效性。放射性药液的分装与注射属于开放型放射性操作，根据辐射防护最优化原则，尽可能使用密封操作代替非密封操作[9]。据报道，手部无任何防护措施操作时所接受的辐射剂量为：(1)分装时左、右手分别为3000、600 μSv/h；(2)注射时为600 μSv/h[10]。操作者注射时，距离放射源30 cm处无防护分装，注射时接受的剂量约为196 μSv/d[11]。本研究采用防护性能相对优越的钨合金，将放射性药液完全密封于系统内，以此实现屏蔽防护；系统高效自动完成分装与注射，从而实现了时间防护；医护人员通过提前静脉穿刺，连通患者的静脉通路与注射系统的连接管路，在特定的注射速率下，医护人员可远距离启动注射和监控药物注射过程，实现了距离防护。放射性药液自动分装与注射系统从多方位降低了医护人员的职业照射，保障了医护安全。

放射性药液自动分装与注射系统实现精准个性化给药。PET显像诊断在计算处方剂量时一般按照3.70～5.55 MBq/kg进行决策[12-17]，设备也可执行更低活度的处方剂量。患者间具有体质量个体差异性药液手工分装很难做到一次精准抽取预定活度，且重复性差。自动分装与注射系统可依据给药标准自动计算患者给药剂量，同时兼顾对放射性药液衰变校准[18]，实现精准分装注射。系统对进一步控制电控分装三通阀与电控活度三通阀之间横向输药软管内的余药量进行了精准个性化给药的优化设计，并对输液管路残余药液进行二次补注，相对于传统手动操作具有更高的精准性。

综上，本研究从临床需求、放射防护要求以及放射防护原则等角度出发，设计了一种新型的放射性药物自动分装与注射系统，该设计已获得国家发明专利(专利号：201510679352.9)。测试结果表明，自动分装注射系统屏蔽射线防护效果好，可以有效降低职业照射，能够高效、快捷、精准地自动分装及注射放射性药物，充分保障医疗照射的最优化，具备临床转化潜力和推广价值。